（动力工程及工程热物理专业论文）差速循环流化床内流动特性的数值模拟.pdf

国内图书分类号：tk222 学校代码：10213 国际图书分类号: 621.18 密级：公开 工学工学硕硕士士学位论文学位论文 差速循环流化床内流动特性的数值模拟 硕 士 研 究 生：王庆功 导师：别如山教授 申请学位：工学硕士 学 科 、 专 业：动力工程及工程热物理 所在单位：能源科学与工程学院 答辩日期：2011 年 6 月 授 予 学 位 单 位：哈尔滨工业大学 classified index: tk222 u.d.c.: 621.18 dissertation for the master degree in engineering numerical simulation of flow characteristics in high-low circulating fluidized bed candidate： wang qinggong supervisor： prof. bie rushan academic degree applied for： master of engineering speciality： thermal energy engineering affiliation： school of energy sci. & eng. date of defence： june, 2011 university： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 高低差速循环流化床在结构上采用多层床面，且主床和副床利用非均匀 布风的方式在密相区形成了强烈的内循环流动过程，从而实现了大小颗粒燃 料的分床燃烧，该燃烧方式下物料混合强烈、燃烧温度稳定，具有燃烧效率 高、脱硫效果好、燃料适应性广、负荷调节范围大、低负荷性能好等优点， 并能有效控制污染物的产生和排放。因而高低差速循环流化床在燃烧多种劣 质燃料和生物质方面有着绝对优势和广泛的应用前景。 本文通过 fluent 软件、应用 euler-euler 双流体模型、基于颗粒动理 学理论和标准 k- 方程模型，数值计算了差速循环流化床底部密相区及其整 体的气固两相流动过程。研究了改变高速床风速、低速床风速、主副床高度 差和副床倾角及增加隔墙对密相区内流动结构的影响，不同粒径的床料颗粒 在密相区内的流动和分布特点，生物质成型燃料颗粒和散料颗粒与床料的混 合过程和流动状态；并验证了差速循环流化床稀相区的“环-核”流动结构 及其整体外循环中的流动特性。 通过计算结果分析了差速循环流化床密相区内循环过程中颗粒浓度、速 度和压力等流动特性参数的分布和变化特点，研究表明主床高速风风速不宜 小于 3.5m/s，副床低速风为 2.0m/s 时，密相区内颗粒和气体混合达到最 佳；主副床高度差为 500mm 比较合理，床内颗粒混合均匀，内循环质量也 较理想；副床倾角的改变对密相区内的流动过程影响不明显；增加隔墙后， 颗粒流动过程更为清晰，内循环质量有所提高；随着流动的进行，粒径较小 的颗粒主要分布于副床上，而大颗粒主要分布在主床底部区域；生物质颗粒 在床料颗粒的带动下，进行着床内典型的内循环过程，生物质成型燃料颗粒 最终大部分在主床上堆积，生物质散料颗粒则主要分布于副床之上。 通过模拟结果分析了差速循环流化床内的整体流动过程，研究表明差速 循环流化床炉膛内明显分为两个区域：底部的密相区和上部的稀相区；颗粒 在稀相区中形成了典型的“环-核”流动结构，颗粒团絮状物不断生成和解 体。 关键词：高低差速循环流化床；内循环；数值模拟 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract high-low circulating fluidized bed (hlcfb) adopts multiple bed layers and uses nonuniform air distributions between the main bed and the secondary bed to form the intense internal circulation in the dense zone. under this condition, particles of different diameters can be combusted in divided beds. for this combustion method has many advantages including strong mixing of materials, stable combustion temperature, high combustion and desulfurization efficiencies, fuel adaptability and effective control of the production and emission of pollutants, the hlcfb has a great superiority and wide application prospects in the combustion of low-rank fuels and biomass, etc. the numerical simulation results of the gas-solid flow in the dense zone and the whole region of hlcfb by fluent software are shown and discussed in this paper. euler-eluer two-fluid model, kinetic theory of particle and standard k- two gas-processing model of turbulent flow are applied in the simulation. the influences of different operating conditions to the flow structure in the dense zone of hlcfb are studied, the center-core flow structure of the freeboard and the whole flow characteristics of the external cycle are also discussed. by analyzing the flow parameters such as the particle concentration, distribution of particle velocity and pressure of the internal circulation in the dense zone, some important conclusions are obtained. the high velocity air should not be less than 3.5m/s. the best low velocity air condition is 2m/s. the bed height difference of the main bed and sencondary bed should be kept at 500mm when the particle mixing and internal circulation quality are the most desirable. partition walls have positive contributions to the quality of the internal circulation. small particles will mainly distribute in the secondary bed while large ones mainly domain the bottom zone of the main bed with the process of flow. the biomass briquette particles also tend to accumulate in the main bed and the bulk biomass particles will mainly participate in the internal circulation of the secondary bed. the simulation results of the whole flow process in the hlcfb show that the furnace is clearly divided as two regions: the dense zone in the bottom region 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - and the freeboard in the upper zone. the flow of particles forms the typical center-core flow structure in the freeboard, and particle clusters are forming and disintegrating constantly. keywords: high-low circulating fluidized bed, internal circulation, numerical simulation 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究的背景和意义 . 1 1.2 差速循环流化床技术概述 . 2 1.2.1 高低差速床的组成和工作原理 . 2 1.2.2 高低差速循环流化床锅炉技术特点 . 4 1.2.3 差速循环流化床的发展现状 . 5 1.3 流化床数值模拟的研究进展 . 9 1.4 本文研究内容 . 11 第 2 章 差速流化床内流动过程的数学模型 . 13 2.1 循环流化床内的流动特性 . 13 2.1.1 循环流化床的下部流动特性 . 13 2.1.2 循环流化床的上部流动特性 . 14 2.2 气固两相流模型的选择 . 15 2.2.1 euler-euler双流体模型 . 15 2.2.2 颗粒动理学理论 . 16 2.3 数学模型 . 16 2.3.1 体积分数 . 17 2.3.2 守恒方程 . 17 2.3.3 气固相间作用计算模型 . 18 2.3.4 固体压力 . 20 2.3.5 固体剪切应力 . 21 2.3.6 颗粒相脉动动能守恒方程 . 23 2.3.7 k-湍流模型 . 24 2.4 本章小结 . 25 第 3 章 差速循环流化床密相区流动特性数值模拟 . 26 3.1 几何模型及网格划分 . 26 3.2 气固两相物性参数 . 26 3.3 流场计算方法 . 26 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 3.4 边界条件和初始条件 . 27 3.5 模拟结果与分析 . 28 3.5.1 差速循环流化床密相区的整体流动特性 . 28 3.5.2 不同高速风对密相区流动特性的影响 . 33 3.5.3 不同低速风对密相区流动特性的影响 . 37 3.5.4 主、副床不同高度差对密相区流动特性的影响 . 40 3.5.5 副床不同倾角对密相区流动特性的影响 . 45 3.5.6 增加隔墙对密相区流动特性的影响 . 47 3.5.7 不同粒径颗粒在差速流化床密相区内的流动特性 . 50 3.5.8 床料与生物质颗粒混合过程的流动特性 . 53 3.6 本章小结 . 59 第 4 章 差速循环流化床内整体流动特性数值模拟 . 61 4.1 几何模型及计算方法 . 61 4.2 模拟结果与分析 . 62 4.3 本章小结 . 69 结 论 . 71 参考文献 . 73 攻读学位期间发表的论文及其它成果 . 78 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 79 致 谢 . 80 个人简历 . 81 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪论 1.1 研究的背景和意义 我国是当今世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，电力生产用煤 在一次能源供应中占中心地位（煤碳为我国提供了 76%的发电能源） ，但我 国燃煤机组每年约排放二氧化硫约 1600 万吨（约占全国 so2总排放量的 90%以上） 、氮氧化物约 700 万吨，这些气体严重威胁着人类赖以生存的大 气环境，能源节约和高效利用及环境保护已成为现有燃煤技术亟待解决的主 要问题1-2，发展一种高效清洁低污染的燃烧技术和燃烧设备已成为当务之 急。循环流化床锅炉与采用其他燃煤方式的锅炉相比，具有锅炉效率高、脱 硫效率好、氮氧化物（nox）排放量低和燃料适用性广等优点，因而是国内 外近阶段重点研究开发的有发展前途的高效洁净燃烧锅炉3-4。 我国循环流化床燃烧技术基本成熟，制造和运行成本均较低，既能够保 证高效燃烧又能显著降低污染物的排放量，可满足目前世界上最严格的环保 要求。因而在当前及今后较长的时间内，流化床燃煤技术是洁净煤燃烧的主 要形式和发展重点。流化床燃烧因具有燃料适应性广、有害气体排放量低等 优点，自其问世以来就在世界各主要工业化国家迅速发展并广泛应用于电站 锅炉、工业锅炉、窑炉及焚烧各种废弃物、烧制水泥等领域。流化床燃烧是 介于层状燃烧与煤粉燃烧之间的一种燃烧方式。层状燃烧效率低，煤粉燃烧 效率虽高，但气体污染排放物多，而流化床燃烧则克服了二者的某些缺点， 保留了它们的优点，是一种很有竞争能力和优势的洁净煤燃烧技术。专家们 估计，二十一世纪将是流化床燃烧在大型电站锅炉、工业锅炉和各种废物焚 烧炉上得到广泛应用的世纪5-6。 高低差速循环流化床（high-low circulating fluidized bed 或 hlcfb） 是一种与传统鼓泡床和流化床不同的流化床类型，其具有独特的优点。高低 差速循环流化床利用非均匀布风形成了密相区强烈的内循环流动过程，可利 用有序旋流的高温床料迅速烘干、加热燃料，能够保证燃烧温度的均匀稳 定，燃料和床料颗粒间的剧烈碰撞和混合，能有效破坏燃料的凝聚和结团、 防止发生不良的流化状态，并且该燃料方式下能够及时排出不燃物、改善燃 料的燃烧扩散特性、有效控制污染物的产生和排放。因此，差速循环流化床 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 适于燃烧多种劣质燃料（包括城市生活垃圾等） ，且在燃劣质煤（尤其是煤 矸石）方面也有它的绝对优势，同时也适用于生物质燃料的燃烧。其设计理 念和应用特点符合国家产业政策和现代循环经济观念，因而有着广泛的应用 前景7-9。 然而差速循环流化床内流动过程较一般的循环流化床更为复杂且有着独 自的特点，本课题希望通过数值模拟差速循环流化床内的流动过程，分析研 究其气固两相流体动力特性，预测改变不同操作条件对流动过程的影响和流 动趋势的变化，对实际运行和生产过程有着重要的意义。 1.2 差速循环流化床技术概述 1.2.1 高低差速床的组成和工作原理 高低差速流化床典型结构如图 1-1所示，其为一种床内循环技术，其密 相区内采用一定高度的两个隔墙将密相床分为主燃烧区和传热区，前者称为 主床，后者为副床。主、副床在结构位置上存在一个高度差，主床位置低于 副床。主、副床分别采用独立的风室送风，主床流化风风速较高，副床流化 风风速较低，从而形成了高速床和低速床。在两个隔墙底部，开设有若干个 回流孔，使主副床互相连通。在两侧副床上布置有埋管（浸泡受热面） ，而 主床不布置受热面。 流化风 流化风流化风 主燃烧区(主床) 传热区(副床)传热区(副床) 浸泡受热面浸泡受热面 隔墙隔墙 循环流循环流 低速床 高速床 高度h,m 压力p,pa 图 1-1 典型高低差速床内循环示意图 图 1-2 高低差速床内的压力分布特性 由于高速床和低速床流化风速的差异和高度差的存在，使得流化时主副 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 床床高和空隙率有所不同，最终形成了如图 1-2所示的压力分布特性。在隔 墙底部的孔口处，副床压力高于主床压力，这个压差使得颗粒通过隔墙底部 孔口从副床向主床流动；而在隔墙上部位置，主床压力高于副床，这个压差 推动颗粒从主床向副床流动，从而形成了高低差速床特有的内循环流动过程 （颗粒顺隔墙下部孔口从副床回流到主床，在主床高速风的带动下颗粒上 升，再从隔墙上部从主床流回副床，在副床较低流化风下颗粒下沉，继而又 通过下部孔口回流到主床） 。 在锅炉运行过程中，从主床侧给入燃料，燃料进入炉内后先在主床上进 行预热和燃烧，由于主床内没有布置受热面，燃料被加热到很高温度但不会 燃尽，之后经循环进入传热区（副床）继续燃烧并与浸泡受热面进行热交换 直至燃尽；床料经传热降温后又由副床顺孔口流回主床，与主床内的高温床 料和燃料颗粒进行传热传质而维持温度平衡。 高低差速床的内循环过程中，高速烟气对颗粒的夹带作用主要将较细颗 粒的燃料带入副床内燃烧，这样副床较低的流化风就能保证细粒子的流化。 而副床内的低速度流化使得埋管受热面磨损小传热强。因而高低差速床不仅 存在像鼓泡床锅炉一样可燃劣质煤、保留埋管受热面的优点，又克服了高倍 率循环流化床锅炉的许多弱点（包括电耗高、对煤质要求高、水冷壁及分离 器等部件磨损快） ；同时，高低差速床又采用了飞灰循环技术，燃烧效率 高，且在较低钙硫比下实现高的脱硫率。 由于高低差速床的内循环流动特点，使得高低差速床在焚烧垃圾等时， 床内强烈的回流和内循环过程使垃圾颗粒给入后能够与高温床料发生强烈碰 撞、撕扯、破碎和拖曳，能大大延长低比重的垃圾在床层内的停留时间，有 利于垃圾的预热、干燥、气化、燃烧等过程，直至燃尽为止；因而在燃烧劣 质燃料方面（包括煤矸石和城市生活垃圾等） ，有着巨大的优势和应用前 景。 综上，高低差速床的结构特点和操作条件形成了其独特的工作原理，简 单可从以下几方面概述10： 1）实现了燃料颗粒的自选 燃料颗粒从炉膛两侧主床位置上送入床内，随主床内的床料颗粒流化并 开始燃烧，由于主床风速较高，使燃料小颗粒逐渐溢于床层表面，而大颗粒 向下沉并在较低的位置沸腾燃烧。高速床和低速床布风板之间存在的高度差 保证了大颗粒在主床底部鼓泡流化而不会被带入低速床。为保证大颗粒的流 化燃烧，主床仍需采用常规沸腾床的流化风速，而小颗粒不断地从主床表面 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 溢流到副床上，因而副床上的颗粒主要为细粒子，较低的流化风速就能实现 低速床的流化。 2）密相区中内循环的形成机理 如前所述，由于主床与副床之间分别采用不同的流化风速，使得细颗粒 不断地在主床高速风的鼓动下溢流于高速床表面，并不停地像涌泉一样翻腾 到低速床上，结果造成副床压力的增加，形成了密相区底部从副床向主床的 压力差，进而推动颗粒从底部回流到主床，这就形成了高低差速床锅炉密相 区内特有的内循环过程。 3）高低差速床外循环的特点 高低差速循环流化床存在两个循环：即密相区的内循环过程和整个循环 流化床经分离器的外循环过程。高低差速循环流化床的外循环与常规的循环 流化床完全相同，只是物料的循环流要低于高倍率的循环流化床。 4）密相区中内循环存在的意义 高低差速床密相区中内循环的存在，实现了大小颗粒的燃料的分床燃 烧，由于副床上主要为细粒子，副床上布置的埋管受热面磨损较轻。主床上 因没有布置受热面，燃料燃烧放出的热量使得床料温度很高，这些热量一部 分由烟气带走，大部分由颗粒的内循环过程带入副床使燃料继续燃烧并传给 了副床上的埋管受热面。完成换热后的物料温度将降低约 50100，又经 内循环过程回流到主床与高温物料热交换吸热，使主床温度得到了控制，平 衡了整个密相区内热量的交换和分布。内循环带动着细颗粒在密相区中内循 环流动，大大延长了物料的停留时间，不仅提高了燃料的燃烧效率，也在一 定程度上提高了脱硫剂的利用效率。 1.2.2 高低差速循环流化床锅炉技术特点 常规流化床采用单一的流化床面，而高低差速循环流化床燃烧技术与此 不同，其采用多层床面，构成差速流化床结构，各床面采用不同的流化风 速，从而将流化床面分成了高速床和低速床；其中，高速流化床内没有布置 受热面，而在低速流化床内均匀布置有埋管受热面；这样，由于差速床的流 化床面在结构上的高低差异及床面流化速度不同，能够使得物料在密相区形 成强烈有序的大循环。整体而言，这种燃料技术存在以下几点优点11： 1）燃烧效率和脱硫效率高 高低差速流化床锅炉的燃烧效率非常高，通常能够达到 98%99.5%， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 原因如下：燃料由侧墙给入高速床后，在高速床上迅速被加热，继而烘干、 着火，不断崩裂并发生颗粒分选。之后细小的物料不断地溢流到高速床表面 而涌流到低速床上继续参与燃烧，又随着内循环过程从低速床底部回流到高 速床。这种有序的内循环使得未燃尽的物料能够在横向的循环中良好地混 合，从而大大延长了物料的停留时间，因而能够高效地燃烧，同时为炉内脱 硫过程创造了良好的条件。 2）燃料适应性广 高低差速流化床锅炉几乎可以燃用一切类型的燃料（包括水份含量高、 热值低、灰熔点低的低质燃料） ，比如矸石、煤泥、混煤、褐煤、油页岩、 炉渣、生物质废渣、稻壳、秸杆成型燃料、木屑等，且能够达到很高的燃烧 效率。其主要原因如下：在高低差速流化床锅炉中，给入的燃料在重量上仅 占床料的 1%3%，且床料的温度很高，因而燃料被送入密相区后能很快地 与大量床料混合并很快被加热至着火点，最终能够良好地燃尽。 3）负荷调节幅度大、低负荷性能好 高低差速流化床锅炉负荷调节范围在 30%110%，在低负荷下也能保持 燃烧稳定，所以适合调峰运行。其主要原因为：差速床的高、低流化床燃烧 采用独立配风，不但可以通过改变料层的高度和床温调节负荷，也可以采用 启停低速床的方法调节负荷，且关闭低速床不会影响到高速床的流化，能够 保证锅炉在 30%的额定负荷下稳定运行。 4）可控制 nox生成 流化床炉 nox生成原理是空气中氮气和氧气在燃烧时产生 nox。在流 化床炉燃烧过程中，燃料中 90%氮元素转化成 n2，大约 10%氮反应生成 nox。且流化床燃烧属于低温燃烧，热力型 nox生成本身就比常规煤粉炉和 油气炉低，而差速流化床又采用分段配风燃烧技术（从高速床集中给料， 主、副床独立配风，同时又有燃料输送风和燃烧密相区顶部二次风等） ，大 大降低了 nox生成。 1.2.3 差速循环流化床的发展现状 随着循环流化床的不断发展，其炉内磨损问题不断突出并引起关注，许 多学者提出将循环床的思想应用到鼓泡床中，用隔墙将鼓泡床底部分成几个 相互连通的室，各室采用不同的流化风速，各室之间形成了微小压差可以推 动床料在各室之间的内循环流动，因而形成了内循环流化床（internal 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - circulating fluidized bed 或 icfb）结构或差速流化床（hlcfb）结构。 1) 内循环流化床 第一类内循环流化床为带垂直隔板或提升管的内循环流化床，如图 1-3 所示。带垂直隔板差速流化床用垂直隔板将反应器分为流化床和移动床两部 分，在这种结构下易于控制物料的循环流率，因而调节负荷比较容易12； 带提升管的内循环流化床中，在提升管底部开有小孔，环形区和小孔之间存 在压力差，能够使得颗粒可由这些小孔进入提升管，在提升管中由鼓动气体 携带流化，到顶部后由 t 型管实现颗粒的分离，从两侧床内下落，从而实 现颗粒在床内的内循环流动。 choi13等人深入研究了内循环流化床的颗粒循环流率、气泡特性与气 流速度的关系等。stocker14、berruti15、muir16和 milne17等人对带提升 管的内循环流化床做了详细研究，仔细分析了颗粒的循环流动特性等。 提升管 布风板 x y ox y o x y o (a)人字型布风板 (b)v型布风板(c)水平布风板 图 1-3 提升管内循环流化床结构简图 图 1-4 三种不同布风方式的内循环流化床 第二类内循环流化床为非均匀布风的内循环流化床，如图 1-4所示。非 均匀布风装置采用多室分别送风，按其布风方式不同，可分为人字型布风、 v 型布风和水平布风三种，颗粒能够在床内形成大的内循环流动。其中，人 字型布风板装置两侧为高速风、中间为低速风，两侧布风板底端布置有排渣 口，偏转板布置在床层上部两侧，这种形式的内循环流化床应用较为广泛； v 型布风板装置中间为高速风、两侧为低速风，排渣口设在中部，偏转板同 样设在高速风区上部；水平布风装置也是通过中间和两侧风室采取不同风速 送风，实现颗粒的内循环流动，这种早期的内循环流化床将排渣口布置在床 层上部，只能排溢流渣而排不出大块底渣，因而适用范围受到限制。这三种 形式的内循环流化床结构简单，广泛用于城市固体废弃物的焚烧处理等。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 对于采用非均匀布风的内循环流化床的研究过程中，freedman18首先 用液体试验研究了不均匀布风装置所形成的床内颗粒大规模循环现象； merry 和 davidson19试验研究了非均匀布风形成的湾流现象（gulfstream） 和床内颗粒的循环运动特征等；garncarek 等20采用正电子放射颗粒探测技 术（the technique of positron emission particle tracking）探测颗粒在床内的 位置变化，以研究内循环流化床中颗粒的循环运动轨迹。 中科院力学所独立开发了一种内循环流化床焚烧炉，用于废弃物的焚烧 处理，如图 1-5所示。其床内不设隔板或提升管，而将风室为分三部分，中 间为高速风，两侧为低速风，这样在床中心形成了激烈运动的流动床，床料 在很高的速度下被气流携带上升，在反射板的反射作用下落入两侧移动床。 两侧风速较低，因而床料能缓慢下沉，并不断回流到中间高速床，以补充高 速床颗粒被高速气流携带走后形成的空隙。这样床内形成了中心的流动床和 两侧的移动床，成功实现物料的内循环流动。重质不可燃物在流化过程中下 沉并可沿倾斜的布风板流至排渣口而排出。 燃气排出 自由空间 垃圾投入 移动床 布风板 流动床 反射板 换热管 不燃物 排出 低速风低速风高速风 小风量 大风量大风量 流化空气 循环空气循环空气 热交换室热交换室 燃烧室 燃料 隔墙埋管受热面 图 1-5 中科院内循环流化床结构图 图 1-6 倾斜隔墙式差速流化床 另外，山东工业大学研究了一种带 v 型布风装置和 u 型分离装置的内 循环流化床锅炉，v 型布风布风板的应用使颗粒在床内做循环运动，大大增 加了颗粒的横向扰动和混合，延长颗粒在床内的停留时间，从而改善了煤的 燃烧。利用 u 型竖井分离装置来有效捕集更细的飞灰颗粒，降低飞灰含碳 量，进一步提高颗粒的燃尽程度21。 2) 倾斜隔墙式差速循环流化床 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 日本荏原制作所开发的倾斜隔墙式差速循环床锅炉如图 1-6所示，其在 继承流化床锅炉原理的基础上，用倾斜隔墙将流化床分为主燃烧室和热交换 室，在热交换室内布置埋管受热面。流化床料（硅砂）在主燃烧室回旋流 动，并不断从倾斜隔墙下面喷出、向左右两侧的热交换室反转流动，形成了 主燃烧室和热交换室之间的循环流。与单纯的外循环流化床锅炉相比，这种 倾斜隔墙式的差速循环流化床锅炉将燃烧室和热交换室分开，使得燃料在燃 烧室中循环流动、直至燃尽，热交换室内流速较低，从而避免了埋管的磨损 问题，燃料适应性广、负荷调节性能好，且在负荷变化时，主燃烧室的温度 变化也不大，可保持较高燃烧效率和脱硫效率22。 3) 凹型（回型）布风循环流化床 江西锅炉厂于 1986 年与清华大学合作开发了一种凹型（或称回型）布 风循环床锅炉，如图 1-7所示，该锅炉采用低携带率的循环流化床技术（即 固气比小于 1） ，并设置了床内、外两级循环系统，以保证循环安全可靠。 其床外循环系统即为传统循环流化床锅炉的炉膛出口所布置的分离器和飞灰 回送系统，大部分物料颗粒由烟气携带、经分离器分离后回送至床内密相 区；内循环系统应用不等压配风理论，通过采用烟斗型定向风帽，将高速高 压的空气沿布风板生成平行射流，形成了强烈稳定的床内回流，从而提高了 细颗粒燃料的燃尽程度和飞灰的利用率等。 一次风一次风一次风 一次风 图 1-7 凹型布风板上流化料层内循环示意图 4) 分床燃烧流化床和高低差速循环流化床 1990 年浙江大学与江西锅炉厂合作开发了一台 20t/h 燃石煤的分床燃烧 流化床锅炉，如图 1-8所示。该锅炉分为主、副两个流化床，各床流化风速 度不同且都布置有埋管受热面，燃料由给煤机送入主沸腾床，通过前墙的微 正压区采用播煤风送入炉内；主床烟气携带的含碳飞灰经 u 型分离段分离 后进入副床燃烧，同时对流区的细灰也由气动回送装置送入副床燃烧，这些 较细的粒子在副床的低流化速度下就能顺利燃烧23。 20 世纪 90 年代末江西锅炉厂（更名为江西江联能源环保股份有限公 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 司）引进了德国高低差速床技术，经消化和改进，开发了目前的高低差速循 环流化床锅炉，如图 1-9所示，其采用不同送风，形成了中部的高速床（主 床）和两侧的低速床（副床） ，在副床上布置有埋管受热面；同时主床和副 床布风板之间存在一个高度差。由于主副床流化风带的不同和高度差的存 在，能够在床内形成稳定强烈的内循环流动，有助于燃料的燃尽和高效率的 传热，同时由于副床内流速较低，又有效避免了埋管的磨损等问题24-25。 1-主床沸腾层埋管 1 2 2-副床埋管 较高风速 水冷壁 炉膛 埋管 低速床 (副床) 高速床 (主床) 返料 给煤口 较低风速 图 1-8 分床燃烧锅炉系统图 图 1-9 高低差速床典型结构 1.3 流化床数值模拟的研究进展 计算流体力学（computational fluid dynamics，简称 cfd）是用电 子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一 个分支，使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解，从 而可预测流场的流动。cfd 最基本的考虑是如何把连续流体在计算机上 用离散的方式处理，一个方法是把空间区域离散化成小胞腔，以形成一 个立体网格或者格点，然后应用合适的算法来解运动方程（对于不粘滞 流体是欧拉方程，对于粘滞的是 navier-stokes方程）以获得场变量的近 似值26-28。 近些年来，国内外许多学者利用 cfb 软件对鼓泡床和流化床内的流动 结构等进行了许多数值模拟研究，得出了许多对实际应用很有指导价值的重 要结论。 gungor29数值计算了一维循环流化床反应器内的流动情况，将反应器 底部看作是湍流状态的鼓泡流化床，上部看作环-核流动结构。采用单相回 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 流模型考虑底部颗粒的混合，研究了颗粒直径、表观速度、过量空气系数和 床温等对流动的影响，模拟结果与实际实验结果吻合较好。 benyahia和arastoopour30应用 fluent 软件建立二维模型，模拟了循环 流化床提升管内的气固两相流动，采用有限体积数值方法对各相的质量和动 量守恒方程组求解。模拟结果表明，入口和出口形状对上升管中气固流动形 式和团聚物的形成有重要影响。 sandberg 等31通过建立循环流化床内的流动和燃烧动力学模型，模拟 了生物质锅炉燃烧过程中积灰对锅炉效率和出力的影响，结果表明过热器上 的积灰使得热量传输率在过热器和再热器上重新分配，而对锅炉效率影响较 小；而蒸发受热面上的积灰对锅炉效率有很大影响。 boemer 等32应用欧拉双流体模型、基于颗粒动理学理论，计算了二维 鼓泡流化床内气泡的形成情况，并总结了计算颗粒温度的不同模型，研究了 颗粒温度的不同描述方式。 armstrong 等33应用双流体模型模拟了二维和三维循环流化床内的流 动，应用了能量最小多尺度(emms)曳力模型，并与传统的应用 gidaspow 曳力模型计算结果进行对比，研究了鼓泡流态化下的气泡特性，模拟得出的 气泡当量直径与通过模型计算得到气泡直径吻合得很好。 eivind 和 helland 等34应用 les 方法模拟了二维循环流化床内乳化相 的形成，研究发现的气固运动湍动呈现出各向异性行为与实验结果相似，颗 粒间的碰撞参数对乳化相的形成起着重要的影响。 此 外 ， xu等 35 应 用 碰 撞 动 力 模 型 修 正 了 颗 粒 运 动 方 程 ； kawaguchi36、sharma37、benyahia38、guenther39、gera40和 cizmasa41 等都对流化床内的气固流动进行了二维或三维的数值计算或从事过相关工 作。 国内也有许多学者用 cfd 软件对鼓泡床和流化床的流动和传热特性进 行数值模拟研究。 孙丹、陆慧林等42-43从稠密气体分子动力学出发，同时考虑颗粒之间 的碰撞作用所引起的脉动各向异性，建立了高颗粒浓度下颗粒动理学模型， 来研究鼓泡床内气泡的运动过程和颗粒的速度和脉动的各向异性行为，计算 中作者提出了颗粒相的动量和速度的二阶矩输运方程，并采用输运现象的初 等原理近似模化和封闭高阶的关联项。 何玉荣等44基于欧拉-欧拉双流体模型，数值计算了具有中心射流进口 的鼓泡床内的流动特性，对鼓泡床内气泡的生成、长大和分离等过程进行了 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 研究，并将模拟结果与 kuipers 等的实验结果进行对比，研究结果表明考虑 进口速度的脉动能更合理准确地预测和分析鼓泡床内的流体动力学行为。 张锴和 brandani45认为表征颗粒离散属性的特征长度与颗粒直径为同 一数量级，进而提出了简捷流体动力学模型，认为拟平衡态下固体颗粒对液 相和固相的动量守恒方程均有影响的，用以预测流化床内稠密颗粒流的动力 学特性。 晁东海和郭雪岩46应用欧拉双流体模